须要解决的问题. 北海的典型温度(^10) < - C和 4 0
某些橡胶( 特别是全氟橡胶 P K 的玻璃化 F M) 温度( ,十分接近.在这种条件下用来制造密 T) 封件的橡胶材料会丧失高弹性 , 密封件就会失 效. 文中论述的橡胶的T 值列于表 2 为了使 , . 密封件能在接近零度的地区或在更低温度的地
这就会使橡胶制品的可靠性降低, 就是说容易
万方数据
·3 · 2
世
界 橡 胶
工 业
E. a MP
2 0 0 1
受到下列因素, 如外界压力, 热膨胀造成的挤人 到间隙中, 收缩或者爆破压降引起的破坏. 1 图 示出在温度升高的情况下弹性模量和撕裂强度 的变化情况. 根据这些数据可以得出结论 : 必须 在实际工作的温度下, 而不是按老办法在室温 下对材料进行试验.甚至通常被认为是耐高温 的材料也会发生性能下降现象.随着温度的升 高模量和撕裂强度减小, 这会导致这两个指标 值低于保持工作能力必需的数值.P K 和 FM TE F P橡胶的变化最大.P K 在 1 O下撕 FM 5 C 裂强度实际上已下降到零.这就意味着尽管这 种弹性体能抗耐很高的温度, 但在可能发生爆 破压降和挤出到间隙中的条件下使用时不得麻 痹大意. 在高温下, 由于橡胶和制做密封接头的 金属的热膨胀系数差异甚大, 密封件可能产生
抽的株胶密封件的影响.
关健词 : 株胶 密封件 , 密封能力 , 近海开采 , 石油 , 天然气, 腐性性介居
橡肺制品经常在近海区域开采石油和天然
气 l 橡胶之 能 密 O使用. t 所以 作为 封件材 使用, 料
主要是因为它在宽阔的范围内具有补偿金属结
从广义上说, 由于性能降低( 如刚性变化, 溶胀, 挤人间隙中, 收缩, 裂纹增长或瞬间破
万方数据
.3 . 4
世 界 橡 胶
工 业
2 0 0 1
表 1 生胶性质对硫化胶在 15 空气中松弛速率的影响 5℃
生胶 松弛速 率
物理松弛, 旬 化学松弛,0%/ %/ 13 旬
在 10 i 0mn时间总松弛速率, %
35 3 6
丁胶橡胶 N R B
7 3 . 8 3 . 6 3 .
1 . 3 9 0 6 . 5
氢化丁睛橡胶 H B NR
氟橡胶 F M K
0 山 4
g 目 n j
全氟橡胶 P K FM
四氟乙烯与丙烯共聚物
TF EP
-
关
1 . 2 0
,在 15 50 1 C下 周内测量时未发现松弛.
应力松弛均无影响.短暂的应力松弛和压缩永 久变形互相间具有相关性, 因为这二者都具有 物理性质. 然而在长时间试验的情况下, 这种相 关性会被破坏, 这一点在研制和使用密封件时 是很重要的. 密封件在低温环境下使用时会产生一些必
一5 1
2 0
1 ) X (
15 9
20 5
3 不℃ 伪
圈 2 报橡胶 F M 的压缩永久变形 'T K 与老化 温度( 空气 ,h 的关系 l)
进行快速恢复, 以便预防可能发生的泄漏, 而在 这种情况下, 必须在除去负荷再经过一段短暂
万方数据
第 2 卷第 5 8 期
· 应力松可分为物理松弛和化学松弛两部 分.尽管在室温下恢复形状的过程可能是缓慢 的, 但是, 物理松弛会导致应力的急剧减小并且 是可逆的.化学松弛是在恒温下以恒定的速率 进行的, 通常在长时间承受时, 特别是在高温下 占优势.这种松弛过程是不可逆的.化学松弛
圈 5 丁睛株胶在 8 0 0 C空气 中放I ()l l 1 ,d h ( )7 ( ) 1 ',a 5 5)S 2 ,d 3 , 个月 ( , ) l ( ,',a 44
决定橡胶密封能力的几个因素
3 · 3
的时间后测定其永久变形.在其他情况下重要 的不是由恢复的速度, 而是测量的可靠性. 对于 高玻璃化温度的材料来说 , 仅在环境温度下恢 复形状以后就进行测量会得出不正确的结论, 因为在低温下具有不 良恢复性能的材料在高温 下却能够成功地使用. 因此, 橡胶材料依性能变 化情况排定 的相对次序是 由恢复温度来决定
的速率取决于橡胶的性质.在化学腐蚀性介质 作用条件下高温时的化学松弛可能特别大.O 形圈在高温空气中的应力与时间对数的关系示 于图 4 初始可观察到物理松弛( . 曲线的线性部 分)然后出现化学松弛, , 这时应力下降较快( 在 时间上呈线性) .在结束阶段 , 当最初吸附的化 学活性物质( 例如氧) 消耗殆尽时, 松弛的速率 开始明显降低, 因为即便是化学松弛的扩散也
与沮度的关 系.
￡ , 侧 %
30 0 C下占优势的过程则是化学性质的.永久
变形随温度的升高而增大. 为了获得表示橡胶材料在使用过程中行为 特征的数据, 应当在试验温度下且在比标准时 间 3m 长得多的时间内恢复其形状.从图 3 Oi n 中引用 的数据就明显地看出这一点. 为了模拟 使用条件, 在压缩状态下保持的时间应尽可能 长一些.原则上恢复形状时间可以不超过 1 个 月.因为这段时间对子所有的物理过程来说已 绰绰有余.该时间对于在高温下测定与化学过 程有关的变化情况也已足够.恢复时间的长短 应当与密封件的使用条件相适应'有时候必须
1 ) X (
T. o C
圈 1 丁睛椒胶 N R 1, B ()氮化丁睛橄校 H B NR ( )报 橄 胶 K 3 , F M ( ) 全 报 弹 性 体 2, P K () 四 报 乙 始 与 丙 烯 共 . 物 F M 4, T E () F P 5的弹性模t() a 和浙裂强度() 6
的.
e ,% a,
是可控的. 这种松弛过程的强度取决于 O形圈 的尺寸, 温度和压力( 如果密封介质是气体)由 . 此可知, 用胶片试样做的试验会导致对实际使 用中发生的松弛程度作出过高的评估.表 1 列 出了所研究的橡胶在 15 空气中于 7 5℃ 天内应 力松弛的速率. 5 图 示出丁睛橡胶 O形圈放置 在 8℃ 空气中其两部分松弛的分量. 0 在开始阶 段松弛的主要部分具有物理性质, 但是随着物 理松弛速率的下降, 化学松弛开始占优势. 这时 并未仔细观察化学松弛的扩散控制阶段.由于 试样 中所含的氧被消耗掉 , 此时化学松弛的速 率降低. 为了使化学松弛过程持续下去, 氧应当 向试样中扩散 .
第 2 卷第 5 8 期
决定橡胶密封能力的几个因素
决定橡胶密封能力的几个因素
赵志正 ( 中橡集团西北稼胶塑料研究设计院 722) 103编译
分析研究了 各种喊紊( 石油, 海水, 甲醉,Z等庸性性介质以 胺, HS 及挤出, 爆破压降) 对在近海区 城
开来石油和天然气时使用的丁睛株胶, 氮化千睛株胶, 氛株胶, 全氛弹性体, 四氛乙烯与丙烯共泉物为基
相对较 这会使橡胶被挤人小的间隙( 低, 密封
用 中会 起 封 损 , 封 败 造 材 ) ,引 密 件 坏密 失 并 成
料损失 .
在分析密封件特有的工作能力之前 , 必须 更深人地分析可能发生的密封失效的类型.
橡胶密封件在高温下使用时涉及到许多问 题.温度升高时, 橡胶材料的刚度会大大减小.
圈 4 应力松弛动力学曲线.
SHK P HK S mK
n0 K
1 一物理松弛口一化学松弛s一扩散控制部分. 3
丁猜裸胶
组化丁肠橄胶
氛橄胶
全红祖胶
圈 3 各种椒胶在 10 00 C压缩状态下持续时间 l ()l ()7 () 1 个月() h 1 ,d 2 ,d 3 及 4 的压编 永久变形和在 20 () 00 6下恢 10 () 1 a 和 C C 盆的形状空间关系
过应力 . 能反映密封件的工作能力 , 且能随着温度
0
B, mm Nl
升高而下降的性能当中还包括压缩永远变形和 应力松弛.在室温下测得的压缩永久变形是表 示: 橡胶密封件在试验温度( 通常是在高温下受 压缩然后除去负荷, 其未能恢复到原来尺寸的 度量 .应力松弛导致在恒定变形时密封件接触 应力的减小. 在高温下, 特别是在化学活性介质 ( 含空气) 中密封件的压缩永久变形可能是很大 的. 2 图 示出氟橡胶F M 在一1O一30 K 5 C oO C空 气中放置 l 后的压缩变形情况 , h 这是在除去负 荷后在室温(3 下恢复 2h后测量的.导致 2℃) 4 产生永久变形的某些过程既有化学性质的,断 ( 链, 重组以及在变形状态下生成新的交联键) , 也有物理性质的( 热膨胀) .比如, 在一1℃ 下 5 产生永久变形的过程几乎纯属物理性质, 而在
作为密封材料橡胶 金属, 小的 优于 它在 应 力 作用下能 产生大的 变形. 此, 因 通过橡胶密封
件的形变就能补偿公差, 不需要大的接触应力, 能力逐渐降低, , 但是这都是与装配有关, 而非环 在装配密 封件时可能有相对较大的 压缩变难 境作用造成的结果.爆破压降引起的破损在任 (0o 0o和较大的拉伸变形(0 . %) l0-30) 5-10 . 何突发性温度或压力变化的情况下都有可能出 0 与塑料不同, 橡胶密 封件有能力补份轴心 现. 这些因素中的每一种都会造成密封件接触 差 振丸, 胶材 擂 和 橡 料的 变性较 与 料和 小. 塑 金 属 不同还在于它的可压缩性较,. / 有可能在不 1 } , 应力减小或完全丧失, 可以认为, 除突发性破坏 发生体积变化的情况下, 保证外来压力的分布, 的情况之外, 这些因素都会对应力松弛过程产 如同在液体中所发生的那样. 生综合作用.可见应力松弛是集一整套复杂过 在海底使用的设备中采用的橡胶制 品, 在 程之大成, 并非是单独丧失工作能力的类型之 在密封材料未发生物理性破坏 整 用期内 该具有合 工 个使 应 格的 作性能力, 这 一.归根到底, 是因为其更换非常麻烦且费用也很高. 时, 这是决定各种情况下发生泄漏的因寒. 勘探和 开采石油及天然气的 条件对橡胶来 在下列众多可以用来制造密封件的橡胶 : 对以于睛橡胶(B )氢化丁睛橡胶(N N R, H- 说 是极为 苛刻的 条件. 胶一 使用 橡 般应当 具备 中, 耐压差, 耐高, 低温, 耐液态烃, 化学活性物质和 B , R)氟橡胶('M 全氟弹性体(F M 四 I ) K , PK ) , 氟乙烯与丙烯共聚物- F P为基础的橡胶进 ( E) T 醉 瓦 }S的 能. 性 斯(Z 性 I) 作为密封材料, 橡胶的不足之处是:1 工 () 行研究.除T E F P外, 所有这些橡胶材料都是 作k 范 较 ( 决 橡 的 类 ; ) i 围 窄 取 于 胶 种 ) 2有 在实验条件下制备的.都是含已知配合剂的标 (